WO2021256948A1 - Способ и устройство для формирования ультразвукового изображения донной поверхности - Google Patents
Способ и устройство для формирования ультразвукового изображения донной поверхности Download PDFInfo
- Publication number
- WO2021256948A1 WO2021256948A1 PCT/RU2020/000288 RU2020000288W WO2021256948A1 WO 2021256948 A1 WO2021256948 A1 WO 2021256948A1 RU 2020000288 W RU2020000288 W RU 2020000288W WO 2021256948 A1 WO2021256948 A1 WO 2021256948A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- mga
- receiving
- echo
- irradiated surface
- isss
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 50
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 15
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 47
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 16
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 12
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 11
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 10
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 7
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 5
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 claims description 5
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 5
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 4
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 claims description 4
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 4
- 125000001145 hydrido group Chemical group *[H] 0.000 claims description 2
- 238000012216 screening Methods 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 4
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 9
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 description 4
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 4
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 3
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 3
- 238000012552 review Methods 0.000 description 3
- 101100291267 Drosophila melanogaster Miga gene Proteins 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N furosemide Chemical compound C1=C(Cl)C(S(=O)(=O)N)=CC(C(O)=O)=C1NCC1=CC=CO1 ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 2
- 241001530105 Anax Species 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 150000003278 haem Chemical class 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011430 maximum method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
- G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
Definitions
- the invention relates to hydroacoustic technology and can be used in the design of hydroacoustic systems, in particular, in the development of side-scan interference sonars used to view the bottom and water areas.
- Determination of the seabed relief during its mapping and study of the geological structure is one of the tasks of oceanography.
- the emergence and widespread use of echo sounders made it possible to conduct non-contact continuous measurements of depths while the vessel was in motion and to record the profile of the seabed over long distances, carrying out two-dimensional measurement of depths.
- mutually complementary devices for sonar mapping are used.
- MPGA multi-element receiving-emitting hydroacoustic antenna.
- the accuracy and reliability of data during bathymetric survey is greatly influenced by the level of side lobes of the HN MPGA: in the presence of bottom slopes and highly dissected relief, a situation is possible when the first echo signal comes from a point not located directly under the vessel, but the amplitude of the echo signal received by the side lobes , can be comparable to the amplitude of the echo received by the main lobe; 2) the spatial selectivity of the MPGA echo sounder has a significant effect on the accuracy and reliability of data on the underwater situation, in particular, due to the shape and size of the "irradiated" ultrasonic region of the bottom surface, which in turn is determined by the wave dimensions of the MPGA aperture in the azimuthal (t) and elevation ⁇ ) planes;
- the angular width of the main lobe of the XN MPGA device determines the accuracy of determining the planned position of the seabed depth under the carrier vessel, setting the optimal spot size on the bottom, which is exposed to ultrasonic irradiation, and, moreover, the result of the time-consuming operations of the method will be an accurate determination of depths only directly on specific route of movement of the carrier vessel, i.e. obtaining a two-dimensional picture of the underwater topography of the seabed.
- the side-scan method gives fine details of some bottom forms, since each of the ultrasonic echo signals from numerous elements of the bottom topography located at different distances is recorded, moreover, in motion measurements take place in three dimensions, however, the interpretation and "decoding" of the obtained data is quite laborious ...
- the sonar image obtained using the side-scan method makes it possible to accurately measure only the distance to the search object or the bottom area of interest, and by the shadow characteristic it is possible to determine the height of individual objects or bottom irregularities.
- Method side-scan which serves the purpose of non-contact measurement of the relief of the bottom surface of the sea, has the following disadvantages and limitations in application:
- the range resolution is not the same in the swath and immediately under the carrier vessel of the locating device deteriorates, and the unevenness of the bottom relief increases the width of the "dead zone", i.e. the accuracy of the relief display is not a stable value and depends on the distance;
- the side-scan method is implemented in practice through the use of incoherent location systems, in which the phase of the echo signal is not conserved from pulse to pulse and is not used for integration, and only the amplitude is used as an informative parameter of the echo signal from the object, thus, due to the loss of information, it is not feasible display of relief with different accuracy.
- the side-scan method was chosen, which includes amplitude-phase processing of coherent echo signals using an interference channel, which makes it possible to record the seabed topography more efficiently in a wide swath and determine the coordinates of objects in suspension (see Stubbs AR , McCartney BS, Legg JG Telesounding, a method of wide swathe depth measurement. International Hydrographic Review.
- MGA MGA (MPGA) from the condition of obtaining the required form of CN due to interference in the aquatic environment of ultrasonic vibrations:
- MPGA in which the angular width is the same in both the azimuthal (y) and elevation (Q) planes, respectively;
- MGA ISGO spaced apart at a distance D ? equal to the base of the interferometer, where l c '/ J f is the wavelength, r is the speed of sound in water, J f is the frequency of the ultrasonic signal emitted by the MGA ISSS is located at the midpoint of its base,
- all MPGA consist of a set of EATs connected by a cable to the equipment and equipped with shielding nodes , hydro, electrical and noise insulation; 3) adjustment of the spatial arrangement of the acoustic axes of all MGA (MPGA) both in the azimuthal (y) and elevation (Q ) planes, which ensures irradiation of the examined interface:
- ISSS for ISSS - the amplitude-phase structure of the resulting sound pressure field obtained by superimposing coherent scattered ultrasonic waves in the vertical sector of the working angles ⁇ of ISSS sighting from the point relief reflectors on the wedge-shaped strip of the irradiated surface, into the interference pattern corresponding to the minima and maxima of the spatial redistribution of amplitudes, and for the echo sounder - the amplitude of the echo signal arriving at the shortest distance from the point reflectors in the area of the irradiated surface;
- - for echo sounder measurement of the shortest distance e from the middle of the base to the scattering surface
- - for ISSS a) measurement of the distance between the zero line corresponding to the middle of the base of the receiving MGA and the midpoints of the interference fringes corresponding to the scattering points of the received echo signals on the wedge-shaped strip of the irradiated surface, which are proportional to the distance of these scattering points from the middle of the base of the receiving MGA; b) determination of slant ranges using a scale bar
- 1,2,3, ... is the number of the interference fringe, counted from the zero line in the interference pattern, corresponding to the moment of emission of the probing signal, - the wavelength of the received echo signal;
- Xj d) determination of the vertical distances r i ⁇ - ⁇ a / D g of the middle of the base of the receiving MGA to each ⁇ -th point of surface scattering; e) construction of the profile of the relief of a narrow but extended strip of the irradiated surface in the plane relative to the level ⁇ in this sounding cycle for the range of depths corresponding to the range of angles @, covered by the main lobes of the XN of the receiving MGA ISSS using the data obtained above;
- the square of the amplitude A of the field oscillations at a given point is not equal to the sum of the squares of the amplitudes of the summed waves, i.e.
- the resolution of the recorder (indicator) of the interference pattern in the interferometer depends on the wavelength ⁇ ; the information received is presented "quantized”: maxima (echo signals in a given direction have amplified each other and information is presented) and minima (echo signals in a given direction have weakened each other and information is lost), which complicates the registration of echo signals from thin details of the bottom topography elements located at different distances, making it difficult to interpret and "decipher" the received data;
- the spatial selectivity of the MPGA echo sounder (the value of the angular width of the main lobe of the CS) has a significant impact on both the accuracy and reliability of data on the complex topography of the "irradiated" area of the scattering surface. So, the accuracy of the separate direction finding of neighboring details of the dismembered relief are characterized by the value of the angle ⁇ ", which for the maximum method of direction finding is determined by the ratio
- AQ 0.6 - ⁇ v [m ⁇ q 0 ' 7 , where m “ is a coefficient, the value of which, when the operator uses a visual indicator, is (0.05 - 0.15); for the auditory indicator -> 0.2 (see Kobyakov Yu.S., Kudryavtsev N.N., Timoshenko V.I. Design of hydroacoustic fishfinding equipment. - L .: Sudostroenie, 1986. - 272 p. Chapter 8 Equipment parameters in reception mode. ⁇ 8.1 Methods and characteristics of direction finding in reception mode, pp. 129 - 133).
- the prototype does not provide for the possibility of changing the angular width of the main lobe of the XH antenna of the echo sounder, which also reduces the measurement accuracy.
- MGA MGA (MPGA) from the condition of obtaining the required form of CN due to interference in the aquatic environment of ultrasonic vibrations:
- the axisymmetric shape of the main lobe of the HN MPGA in which the angular width is the same both in the azimuthal (y) and elevation (Q) planes, respectively;
- ⁇ I f is the wavelength, is the speed of sound in water, f is the frequency of the ultrasonic signal emitted by the MGA ISSS located at the midpoint of its base,
- MPGA MPGA
- All MPGA consist of a set of EATs connected by a cable to the equipment and equipped with shielding nodes , hydro, electrical and noise insulation;
- 1,2,3, ... is the number of the interference fringe, counted from the zero line in the interference pattern, corresponding to the moment of emission of the probe signal, l. the wavelength of the received echo signal; d) determination of vertical distances the middle of the base of the receiving MGA to each ⁇ -th point of surface scattering; e) construction of the profile of the relief of a narrow but extended strip of the irradiated surface in the plane relative to the level ⁇ in this sounding cycle for the range of depths corresponding to the range of angles covered by the main lobes of the XN of the receiving MGA ISSS. using the data obtained above;
- the objective of the invention is to create a method of multi-frequency interferometry for forming an ultrasonic image of the bottom surface, and a device that implements it, which makes it possible to perform a bathymetric survey of the surface relief with the required accuracy by adjusting the density of the performed depth measurements.
- the technical result of the invention is to increase the accuracy and reliability of the hydroacoustic display of the bottom surface due to the registration and visualization of the scattered ultrasonic fields of multiple frequencies formed in the aquatic environment due to the nonlinear effect of self-action.
- the side-scan method supplemented by an interference channel for amplitude-phase processing of coherent echo signals, including:
- the axisymmetric shape of the main lobe of the HN MPGA in which the angular width is the same both in the azimuthal (y) and elevation (Q) planes, respectively;
- the MPGA is located at the minimum possible distance from the midpoint of the base so that its acoustic axis is located in the same plane of pulsed acoustic sounding
- ISSS for ISSS - the amplitude-phase structure of the resulting sound pressure field obtained by superimposing coherent scattered ultrasonic waves in the vertical sector of the working angles ⁇ of ISSS sighting from the point relief reflectors on the wedge-shaped strip of the irradiated surface, into the interference pattern corresponding to the minima and maxima of the spatial redistribution of amplitudes, and for the echo sounder - the amplitude of the echo signal arriving at the shortest distance from the point reflectors in the area of the irradiated surface;
- n 1,2,3, ..., /, the ordinal number of the harmonic, in the range of angles ⁇ , covered by the projections of the main lobes of the XN in the reception at frequencies nf on the plane of pulsed acoustic sounding;
- - for ISSS a) measurement of the distances between the zero line corresponding to the middle of the base of the receiving MGA and the midpoints of the interference fringes corresponding to the scattering points of the received echo signals of the irradiated surface, which are proportional to the distance of these scattering points from the middle of the base of the receiving MGA; b) on the basis of selected from n interference patterns, determination with - using a scale ruler of oblique distances 1 of the scattering points of echo signals to the middle of the base of the receiving MGA;
- ISSS for ISSS: a) measurement of the distance between the zero line corresponding to the middle of the base of the receiving MGA and the midpoints of the interference fringes corresponding to the scattering points of the received echo signals on the wedge-shaped strip of the irradiated surface, which proportional to the distance of these scattering points from the middle of the base of the receiving MGA; b) determination of slant ranges using a scale bar
- 1,2,3, ... is the number of the interference fringe, counted from the zero line in the interference pattern, corresponding to the moment of emission of the probe signal, l. the wavelength of the received echo signal; d) determination of vertical distances from the middle of the base of the receiving MGA to each ⁇ -th point of surface scattering; e) building a profile of the relief in the xOy plane relative to the level
- a device for implementing the method which contains two measuring channels: 1) an interferometer, which includes an emitting path consisting of a series-connected generator device, a power amplifier and a radiating MGA, and a receiving path of two series-connected receiving MGA, two links on ⁇ parallel connected resonant transceiver devices for frequencies , two ⁇ - input analog switches, phase discriminator, recorder, device determining the number ⁇ of the interference fringe, calculator, calculating device; programmable relief building device, display device; 2) an echo sounder, which includes a radiating tract, consisting of a series-connected pulse generator, a power amplifier, a "receive-transmit" switch and a receiving-emitting MGA, as well as one link of parallel-connected resonant receiving-amplifying devices for frequencies , one ⁇ - input analog key and control unit.
- an interferometer which includes an emitting path consisting of a series-connected generator device, a power amplifier and a radiating MGA, and a receiving path
- the receiving paths of the interferometer and echo sounder can be made of links containing, according to T7, resonant receiver-amplifier devices connected in parallel, tuned to the corresponding spectral component f and Yl - input analog keys, and the control inputs of these blocks are connected to the corresponding outputs of the control unit.
- each EAP in the MGA is optimal to equip with a piezoelectric element, screening elements, hydro-, electrical- and noise insulation.
- inventive method and device are linked by a single inventive concept and allow performing bathymetric survey of the surface of a complex structure with high accuracy and reliability of hydroacoustic display of the bottom surface relief by adjusting the density of the depth measurements performed.
- Figure 1 shows a block diagram of a device that implements the method.
- the block diagram contains two measuring channels: 1) ISBO 1, which includes an emitting tract consisting of a series-connected generator device 2, a power amplifier 3 and an emitting MGA 4, and a receiving tract of two series-connected receiving MGA 5, 6, two links in parallel connected resonant receiving-amplifier devices 7 for frequencies , two ⁇ - input analog switches 8, phase discriminator 9, recorder
- echo sounder 10 a device for determining the number ⁇ of the interference band 11, calculator 12, calculator 13; programmable relief building device 14, display device 15; 2) echo sounder 16, which includes the following paths: radiation - serially connected pulse generator device 17, power amplifier 18, switch 19 "receive-transmit", receiving-emitting MGA 20, receiving and processing - one link of parallel connected resonant receiving-amplifier devices 21 for frequencies , one ⁇ - input analog switch 22, calculator 13; programmable relief building device 14, display device 15 and control unit 23.
- Figure 2 shows a diagram explaining the method, where in projection onto a vertical plane are shown:
- D is the base of the interferometer in the ISBS
- ⁇ is the midpoint of the base of the interferometer in the ISBS
- n f slant range from the base of the interferometer in the ISSS to the point bottom surface
- FIG. 4 for the same area of the bottom surface on signals of multiple frequencies / J 2 / J , '3 / J are presented in the coordinates "Slant range, m - Track range, m", three types of interference patterns, where horizontal axis, i.e. the origin of the slant range corresponds to the moment the interferometer 1 emits a probing signal, as well as the distance X ⁇ P '' X 2 7 p y - x c K b J p J from the horizontal axis to the first interference fringes corresponding to the slant ranges G 1 (/) ' ⁇ 1 (2 /)> ⁇ 1 (3 /) to adjacent points on this area of the bottom surface.
- Figure 5 shows an experimental sonogram of a section of an unevenly folded bottom surface of the Bristol Canal. Track length 1000 m, width 250 m, depth (15-30) m.
- the emitting MGA 4 of the interferometer 1 in the ISBS is located at the midpoint of its base, and the MPGA 20 of the echo sounder 16 is located at the minimum possible distance from the midpoint of the base.
- a sync pulse from the output of the recorder 10 starts the emitting path of the interferometer 1 of the IGBO, consisting of a series-connected generator device 2, a power amplifier 3 and an emitting MGA 4, which emits a powerful ultrasonic pulse sounding signal through the water medium towards the scattering bottom surface (Fig. 12).
- the water medium has nonlinearity of its elastic properties, which leads to the occurrence of a nonlinear effect - self-action during the propagation of an intense ultrasonic wave pulse (see Muir T.J. Nonlinear acoustics and its role in the geophysics of marine sediments // Acoustics of marine sediments / Transl. From English. ; Edited by Yu.Yu. Zhitkovsky. - M .: Mir, 1977. - pp. 227 - 273), which can be considered as a result of the effect of nonlinear changes in the elastic properties of the medium on the characteristics of a powerful pulse probe pump signal with frequency / in the propagation region ...
- Obtaining reliable information on the parameters of the bottom surface of a complex structure using a device for implementing the method is provided by the use for irradiation of not only the pump signal f with a frequency J , but also the ultrasonic signals of the high-frequency range formed in the aqueous medium: - higher harmonic components with frequencies q ordinal number of the harmonic.
- the nonlinear effect in the ultrasonic field allows us to separate in space the processes of converting electrical energy into ultrasound (MGA 4) and the formation of directional radiation (a section of the aqueous medium in which the frequency components of the spectrum of a powerful ultrasonic pulse interact, corresponding to its tonal filling and envelope).
- Nonlinear sources of the above acoustic signals are distributed in the water volume, as a result of which HF (self-action) ultrasound signals are generated within small solid angles with almost complete absence of a lateral field.
- the ordinal number of the harmonic after propagation in the aquatic environment, reaches the points m * (and /) scattering on the wedge-shaped strip of the irradiated bottom surface in the direction perpendicular to the carrier's course line, and is reflected.
- the interferometer 1 of the ISSS goes into the mode of receiving echo signals scattered by the bottom surface. After receiving the echo signal from the most distant point of the irradiated strip, the receiving mode ends, the carrier vessel moves along the course and the ISSS interferometer 1 emits another ultrasonic sounding pulse towards the bottom, etc. Echo signals are received by two spaced apart in the vertical plane MPGA 5, 6. The first to arrive at the antennas are echo signals from the closest points on the surface, then from more and more distant points of the irradiated bottom strip.
- All reflected components of the polyharmonic ultrasound signal carry amplitude information about the irradiated interface, making it possible to judge its reflectivity at each frequency indicated above, and the reception echo signals into two spaced apart in the vertical plane MPGA 5, 6 causes their interference.
- the EAT of both MPGAs 5, 6 is converted to the amplitude-phase structure of the resulting sound pressure field, obtained by superimposing f the scattered polyharmonic ultrasonic waves with frequencies J ,
- the levels of each of the electrical signals are determined by XH p.f ( ⁇ plf (b) ’p.lf ( ⁇ )’ - p.if (Fig. 3), as well as
- electrical signals corresponding to interference irregularities of spatial distributions of amplitudes of polyharmonic ultrasonic waves with frequencies f, ⁇ f ⁇ f are processed in the receiving path of the interferometer 1 of the ISBS, which includes two links of parallel-connected resonant receiving-amplifier devices 7 for frequencies J, two ⁇ -input analog switches 8, phase discriminator 9, recorder 10, device for determining the number ⁇ of the interference band 11, calculator 12, computing devices 13; a programmable relief plotting device 14, a display device 15, for some of them the operating mode can be determined by the operator (or an automatic decision-making system) through the control unit 23.
- an electrical signal is allocated, which on the brightness recorder 10 with a raster scan in coordinates "Track range” - "Slant range” will observe at least one of the ⁇ interference patterns, representing a set of alternating dark and light stripes (see figure 4).
- the number of interference fringes for higher harmonics is greater, which will lead to an increase in the information obtained about the bottom topography (at higher harmonics, interference fringes "fill the gaps” between the available maxima for the first harmonic).
- Each interference fringe in interference patterns has its own number equal to an integer ⁇ wavelengths characterizing the stroke difference moreover, in the selected interference pattern for frequencies f or 2 / ilTI and J ... or nf X i (nf ⁇
- ⁇ f rrf ⁇ are proportional to the corresponding slant ranges y 'to the scattering points of the echo signal from the middle of the MPGA base 4, 5 (slant ranges r
- each of the interference patterns is uniquely associated with the relief of the bottom surface and they can be used to determine heights and horizontal ranges in a wide swath.
- an echo sounder 16 which includes the following paths: radiation - a series-connected pulse generator device 17, a power amplifier 18, a “receive-transmit” switch 19, receiving-emitting MGA 20, as well as receiving and processing echo signals multiple frequencies / . and / . one link of n parallel-connected resonant transceiver devices 21 for frequencies Yl J f, one ⁇ - input analog switch 22, from the output of which an electrical
- the operating frequency of ultrasound is 250 kHz
- the wavelength in water is 0.6 cm
- the shape of the main lobe of the HN MGA is narrow in the azimuthal (y) - (1 °) and wide in the elevation (Q) - (35 °) planes, respectively, output power 70 W, pulse duration 0.4 ms, interferometer base 20 cm, maximum number of "rays” in the beam 33.8, tilt angle relative to the horizon 20 °, output signal recorded at 11 "Mufax wet paper recorder (sweep rate of 3per second, recorder range 250 m).
- the width of the dark strip is approximately equal to two half-widths of the light strip, hence the averaged size of the area of the bottom surface with a break in the information parameter is about 4.2 m. If we use higher harmonics - the second with a frequency of 500 kHz and the third with a frequency of 750 kHz, then we will have 2, 1 m and 1.4 m respectively.
- the proposed method of multifrequency interferometry for the formation of an ultrasound image of the bottom surface, and the device that implements it allows you to perform bathymetric survey of the surface topography with the required accuracy by adjusting the density of the depth measurements performed (see Fig. 4), and the technical result of the invention is achieved due to registration and visualization of scattered ultrasonic fields of multiple frequencies, formed in the aquatic environment due to the nonlinear effect of self-locomotion.
- Blocks 2 - 12 of interferometer 1 are typical functional units of standard interferometric SSS, known from publicly available sources of information (see Baras S. T. Research and development of a sonar interferometer for cartographic bottom survey in a wide swath. Dis. Candidate of Technical Sciences / Design Bureau "Reef", Balti 1981 210s., Stubbs AR, McCartney BS, Legg JG Telesounding. A method of wide swathe depth measurement - International Hydrographic Review. - Monte Carlo, 1974, vol. 51, N ° 1, p.23 -59).
- Blocks 13 - 15 are electronic devices, the operation algorithm of which is implemented using analog and digital programmable means, for example, in ship multi-beam echo sounders, which provide the construction of ST images of the surface of the seabed of water areas (see Firsov Yu.G. Fundamentals of hydroacoustics and the use of hydrographic sonars. Nestor-History, St. Russia, 2010, - 350s.)
- Blocks 17 - 22 echo sounder 16 are typical functional units of ship echo sounders, in particular, navigational units discussed in detail in the literature (see. Kobyakov Yu.S. , 1986. - 272s., Khrebtov A.A.
- the claimed method of multifrequency interferometry for the formation of an ultrasonic image of the bottom surface of a complex structure and the device for its implementation allow increasing the volume of primary information by registering echo signals from thin details of the bottom relief elements, which will facilitate the interpretation and "decoding" of the data obtained, and also reduce how rms value
- the distance e from the middle of the base to the scattering surface with the required accuracy since the spatial selectivity of the echo sounder's receiving-emitting antenna (the value of the angular width of the main lobe XN) has a significant effect on both the accuracy and reliability of data on the complex topography of the "irradiated" area of the scattering surface.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано для просмотра дна и водных акваторий. Способ включает генерирование в водной среде полигармонического пучка ультразвуковых сигналов. После установления акустического контакта с участком облучаемой границы раздела с помощью многоэлементной гидроакустической антенны интерференционного гидролокатора бокового обзора (ИГБО) осуществляют прием эхосигналов от клиновидной полоски облучаемой поверхности, а с помощью эхолота осуществляют прием эхосигналов с участка облучаемой поверхности с элементарными точечными отражателями рельефа в диапазоне углов, охватываемых проекцией основного лепестка характеристики направленности на донную поверхность. Преобразуют показания ИГБО и эхолота в электрические сигналы. Выделяют в приемных трактах аппаратуры информационные сигналы, получают результаты для выбранных участков границы раздела по направлению движения судна-носителя, обрабатывают сигналы на гармониках с частотами nf, регистрируют и документируют. Устройство содержит два измерительных канала, первый из которых содержит интерферометр, включающий в себя излучающий тракт, и приемный тракт из параллельно соединенных двух приемных антенн, а второй измерительный канал выполнен в виде эхолота.
Description
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ДОННОЙ ПОВЕРХНОСТИ Область техники
Изобретение относится к гидроакустической технике и может быть использовано при конструировании гидроакустических систем, в частности, при разработке интерференционных гидролокаторов бокового обзора, используемых для просмотра дна и водных акваторий. Предшествующий уровень техники
Определение рельефа морского дна при его картографировании и изучении геологической структуры является одной из задач океанографии. Появление и широкое распространение эхолотов позволило вести неконтактно непрерывные замеры глубин во время движения судна и регистрировать профиль морского дна на больших протяжениях, осуществляя двумерное измерение глубин. В настоящее время при записи глубины океанского дна и его рельефа используются взаимно дополняющие друг друга устройства для гидролокационного картирования.
Список сокращений, используемых в описании: 1. ИГБО - интерференционный гидролокатор бокового обзора.
2. МПГА - многоэлементная приемоизлучающая гидроакустическая антенна.
3. ЭАП - электроакустический преобразователь.
4. УЗ - ультразвуковой. 5. ХН - характеристика направленности.
6. ГБО - гидролокатор бокового обзора.
7. МГА - многоэлементная гидроакустическая антенна (приемная или излучающая).
9. ПВУ - поворотно-выдвижное устройство.
Известен метод эхолотирования, служащий цели неконтактного измерения глубины моря, (см. Богородский А. В., Яковлев Г. В., Корепин Е. А., Должков А. К. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. -263 с. Часть 1. Гидроакустические методы исследования океана. Глава 2. Методы, лежащие в основе систем для исследования и освоения океана §2.1 Метод эхолотирования, стр.27-30), в процессе развития которого появилась возможность получения информации о такой характеристике как рельеф морского дна. Физическую основу метода определяют как явление практически прямолинейного распространения УЗ при малых углах падения, так и взаимосвязь энергетических и спектральных параметров отраженных сигналов от донной поверхности. Определение
Т овано на измерении интервала времени г = 2 Z С глубины Z осн ( где С . скорость звука в водной среде) между приемом отраженного сигнала 5Э( и некоторым контрольным сигналом, определяющим момент ПОСЫЛКИ зондирующего импульса
. Данный метод эхолотирования, а также устройства (см. Евтютов А. П., Колесников А. Е., Ляликов А. П. и др. Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1982. - 334 с. Глава 1. Гидроакустические средства §1.6 Гидроакустические средства судовождения, стр.26-27), его реализующие и снабженные МПГА, - имеют недостатки и ограничения в применении в связи со следующим:
1) на точность и достоверность данных при батиметрической съемке оказывает большое влияние уровень боковых лепестков ХН МПГА: при наличии уклонов дна и сильно расчлененном рельефе возможна ситуация, когда первый эхосигнал придет от точки, не находящейся непосредственно под судном, а амплитуда эхосигнала, принятого боковыми лепестками, может быть сопоставима с амплитудой эхосигнала, принятого основным лепестком;
2) пространственная избирательность МПГА эхолота оказывает существенное влияние на точность и достоверность данных о подводной обстановке, в частности, за счет формы и размеров «облучаемой» УЗ области донной поверхности, что в свою очередь определяется волновыми размерами апертуры МПГА в азимутальной (^) и угломестной { ) плоскостях;
3) угловая ширина основного лепестка ХН МПГА устройства определяет точность определения планового положения глубины морского дна под судном-носителем, задавая оптимальный размер пятна на дне, которое подвергается УЗ облучению, причем, результатом выполнения затратно- временных операций метода будет точное определение глубин только непосредственно на конкретной трассе движения судна-носителя, т.е. получение двумерной картины подводного рельефа морского дна.
Известен способ бокового обзора, позволяющий вести запись рельефа морского дна в трех измерениях (см. Простаков А.Л. Электронный ключ к океану: гидроакустическая техника сегодня. Глава 5. Гидроакустические средства изучения Мирового океана. § 20. Гидролокаторы бокового обзора, стр.97 - 110, Л.: Судостроение, 1978г. - 192 с) и устройство для гидролокационного картирования, реализующее данный метод (см. Евтютов А. П., Колесников А. Е., Ляликов А. П. и др. Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1982. - 334 с. Глава 1. Гидроакустические средства §1.7 Гидроакустические средства обеспечения океанографических исследований, стр.30-31). Метод бокового обзора дает тонкие детали некоторых донных форм, так как осуществляется регистрация каждого из УЗ эхосигналов от многочисленных элементов рельефа дна, находящихся на разных расстояниях, причем, в движении промеры происходят в трех измерениях, однако, интерпретация и «расшифровка» полученных данных достаточно трудоемка. Получаемое с помощью метода бокового обзора гидролокационное изображение позволяет достаточно точно измерить лишь расстояние до объекта поиска или интересующего участка дна, а по теневой характеристике можно определить высоту отдельных объектов или неровностей дна. Метод
бокового обзора, служащий цели неконтактного измерения рельефа донной поверхности моря, имеет следующие недостатки и ограничения в применении:
1) разрешающая способность метода по углу в азимутальной плоскости
(Ф) ухудшается с расстоянием, так как увеличивается угловая ширина основного лепестка ХН МПГА: чем дальше распространяется зондирующий импульс, тем больше площадь, которую захватывает пространственный угол, что меняет качество гидролокационного изображения подводных объектов на разных дистанциях;
2) разрешающая способность по дальности не одинакова в полосе обзора и непосредственно под судном-носителем локационного устройства ухудшается, причем, неровности рельефа дна увеличивают ширину «мертвой зоны», т.е. точность отображения рельефа не является стабильной величиной и зависит от дистанции;
3) метод бокового обзора на практике реализуется посредством применения некогерентных локационных систем, в которых фаза эхосигнала не сохраняется от импульса к импульсу и не используется для интегрирования, а в качестве информативного параметра эхосигнала от объекта используется только амплитуда, таким образом, за счет потери информации неосуществимо отображение рельефа с различной точностью. В качестве ближайшего аналога выбран способ бокового обзора, включающий амплитудно-фазовую обработку когерентных эхосигналов с помощью интерференционного канала, позволяющий за счет этого более продуктивно вести запись рельефа морского дна в широкой полосе обзора и определять координаты объектов, находящихся во взвешенном состоянии (см. Stubbs A. R., McCartney B.S., Legg J.G. Telesounding, a method of wide swathe depth measurement. International Hydrographic Review.- Monte Carlo, 1974, vol.51, JV l, P.23-59) и устройство для гидролокационного картирования (ИГБО), реализующее данный метод ( патент 2623830 РФ G01S 17/02, опубл. 29.06.2017).
Использование указанного способа предполагает выполнение следующей последовательности операций:
1) выбор рабочей частоты f , формы, размеров и конструкции
МГА(МПГА) из условия получения требуемой формы ХН за счет интерференции в водной среде УЗ колебаний:
- для ИГБО - специальной формы основного лепестка ХН МГА - узкого в азимутальной {y) (1° — 3°, продольный размер апертуры МГА от 10
Л до 50 Л) и широкого в угломестной (Q) (10° - 20°, поперечный размер апертуры МГА ~ от 2 Л до 5 Л) плоскостях соответственно, - и для эхолота - осесимметричной формы основного лепестка ХН
МПГА, у которого угловая ширина одинакова как в азимутальной ( y), так и в угломестной ( Q ) плоскостях соответственно;
2) размещение на подводной части ПВУ надводного судна необходимого количества МГА (МПГА): для ИГБО - трех одинаковых МГА по одному (левому или правому) борту продольными размерами апертуры как в азимутальной плоскости ( y), так и вдоль направления движения судна - носителя для обеспечения параллельно-смещенного пространственного расположения их акустических осей в одной плоскости импульсного акустического зондирования, из трех МГА - одна излучающая и две приемные, фазовые центры двух приемных
МГА ИГБО разнесены на расстояние D
? равное базе интерферометра, где l = с '/ J f - длина волны, г - скорость звука в воде, J f - частота УЗ сигнала, излучающая МГА ИГБО расположена в средней точке его базы,
- и для эхолота — МПГА расположена на минимально возможном расстоянии от средней точки базы и ее акустическая ось также лежит в той же плоскости импульсного акустического зондирования, причем, все МГА (МПГА) состоят из совокупности ЭАП, соединенных кабелем с аппаратурой, и снабженных узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;
3) регулировка пространственного расположения акустических осей всех МГА (МПГА) как в азимутальной (y), так и в угломестной (Q) плоскостях, что обеспечивает облучение обследуемой границы раздела:
- акустические оси всех четырех МГА(МПГА) лежат в плоскости импульсного акустического зондирования, которая перпендикулярна как к борту, так и к облучаемой поверхности, совпадая с угломестной ( ) плоскостью, причем, акустические оси трех МГА ИГБО наклонно направлены в сторону облучаемой поверхности от ПВУ судна-носителя, образуя антенную систему интерферометра, для которого величина полезного вертикального сектора рабочих углов ОС визирования, в пределах которого осуществляется однозначное измерение разности фаз
узкополосных эхосигналов, принятых каждой из МГА ИГБО с малой базой D определяется соотношением Aw Ύ = kD ma , откуда а = arcsin( \A< т / &D) / или для малых углов а = Df т < [ L2p{ хS> l)\. а акустическая ось МПГА эхолота направлена в сторону облучаемой поверхности от ПВУ судна-носителя и совпадает с нормалью к ней;
4) генерирование в излучающих трактах аппаратуры - в частности, в генераторных устройствах ИГБО или эхолота (по выбору оператора) - электрических колебаний и их кодирование - преобразование в кратковременные амплитудно-импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму кратковременных импульсов прямоугольной формы с малым временем нарастания фронта, а посылка содержит в себе несущую частоту f ;
5) преобразование с помощью ЭАП излучающей МГА ИГБО или МПГА эхолота, закрепленных на ПВУ выбранного борта судна-носителя кодированных электрических колебаний в кратковременные периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, которые распространяются в направлении облучаемой поверхности;
6) установление акустического контакта с участком облучаемой границы раздела, что обусловливает отражение посылок УЗ волн:
- для ИГБО - с клиновидной полоской облучаемой поверхности с элементарными точечными отражателями рельефа (слева или справа относительно диаметральной плоскости судна-носителя), что обусловит рассеяние УЗ волн во всех направлениях, часть вернется обратно к двум приемным МГА ИГБО, которые осуществляют прием эхосигналов в диапазоне углов , охватываемых проекциями их ХН на плоскость импульсного акустического зондирования, т.е. в вертикальном секторе рабочих углов ^ визирования ИГБО, и для эхолота - с участком облучаемой поверхности с элементарными точечными отражателями рельефа (слева или справа относительно диаметральной плоскости судна-носителя), что обусловит рассеяние УЗ волн во всех направлениях, часть вернется обратно к МИГА, которая осуществляет прием эхосигналов в диапазоне углов , охватываемых проекцией основного лепестка ХН на плоскость импульсного акустического зондирования;
7) преобразование с помощью ЭАП МГА(МПГА) в режиме приема отраженных УЗ волн в электрические сигналы:
- для ИГБО - амплитудно-фазовой структуры результирующего поля звукового давления, полученного при наложении когерентных рассеянных УЗ волн в вертикальном секторе рабочих углов ^ визирования ИГБО от точечных отражателей рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности, в интерференционную картину, соответствующую минимумам и максимумам пространственного перераспределения амплитуд, и для эхолота - амплитуды эхосигнала, пришедшего по кратчайшему расстоянию от точечных отражателей на участке облучаемой поверхности;
8) выделение в приемных трактах аппаратуры амплитуд информационных сигналов, полученных при отражении от выбранных участков границы раздела,
- для ИГБО - интерференционной картины, соответствующей распределению точечных рассеивателей рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности облучаемой поверхности;
- и для эхолота - от ближайшего участка облучаемой поверхности, что позволяет оценить его удаленность и отражательную способность; отображение результатов измерений для выбранного участка границы раздела, их регистрация и документирование в аппаратуре:
2,
- для эхолота - измерение кратчайшего расстояния э от середины базы до рассеивающей поверхности; - для ИГБО: а) измерение по интерференционной картине расстояний между нулевой линией, соответствующей середине базы приемных МГА, и серединами интерференционных полос, соответствующих точкам рассеяния принятых эхосигналов на клиновидной полоске облучаемой поверхности, которые пропорциональны удалению этих точек рассеяния от середины базы приемных МГА; б) определение с помощью масштабной линейки наклонных дальностей
1- точек рассеяния эхо-сигналов до середины базы приемных МГА; в) определение расстояния
каждой ^ -ой точки рассеяния от облучаемой поверхности относительно горизонтальной плоскости, проходящей через середину базы приемных МГА, по формуле
/_
1,2,3,...- номер интерференционной полосы, отсчитываемый от нулевой линии на интерференционной картине, соответствующей моменту излучения зондирующего сигнала,
- длина волны принимаемого эхосигнала;
Xj = г) определение вертикальных расстояний ri \-{a/D g середины базы приемных МГА до каждой ^ -той точки рассеяния поверхности; д) построение профиля рельефа узкой, но протяженной полосы облучаемой поверхности в плоскости
относительно уровня ^
в данном цикле зондирования для диапазона глубин, соответствующих диапазону углов @ , охватываемых основными лепестками ХН приемных МГА ИГБО с использованием полученных выше данных;
10) проведение измерений для следующих участков облучения на границе раздела, за счет как движения по заданному курсу судна-носителя, так и выполнения пунктов 4 -10 последовательности операций, что обеспечит получение ансамбля из профилей рельефов, которые используют для построения его трехмерной формы.
Данный способ и устройство, его реализующее, имеют следующие недостатки и ограничения в применении:
1) при интерференции волн квадрат амплитуды А колебаний поля в данной точке не равен сумме квадратов амплитуд суммирующихся волн, т.е.
ДЛЯ двух волн с амплитудами А1 и л2
А — л 1 + Ay + 2 Ал 1 Ay cos( v еrру — ( ^Ол 1 ) 7 или через интенсивность колебаний
. разность фаз между волновыми процессами в рассматриваемой точке. Если колебания синфазны, т.е. фазы
одинаковы или отличаются на четное число Я , то интенсивность I максимальна и равна
Anax =( h + )2 , если же колебания противофазны, т.е. фазы <Ri и
< тР2 z отличаются на нечетное число Т /С*' , то получается минимальная
интенсивность -
( /7 л/ 2 ) Интенсивность I периодичесьси меняется вдоль оси % от нуля до максимального значения
в соответствии с соотношением / = 2/j [1 + cos(2 p ·a ·c/ Л)] , где а « D/r - угол схождения интерферирующих лучей, т.е. угол, под которым из точки на рассеивающей поверхности с удалением V наблюдается база
приемных антенн, пространственный период изменения интенсивности
есть размер ширины как интерференционной полосы, так и зазора между ними. Таким образом, разрешающая способность регистратора (индикатора) интерференционной картины в интерферометре зависит от длины волны Л ^ получаемая информация представлена «квантовано»: максимумы (эхосигналы в данном направлении усилили друг друга и информация представлена) и минимумы (эхосигналы в данном направлении ослабили друг друга и информация потеряна), что осложняет регистрацию эхосигналов от тонких деталей элементов рельефа дна, находящихся на разных расстояниях, затрудняя интерпретацию и «расшифровку» полученных данных;
2) в интерферометрических системах дискретные «лучи» физически не формируются - фазовая информация со всех направлений принимается и обрабатывается одновременно, интерферометрия отличается от стандартного формирования лучей гем, что «лучи» создаются сигнальным процессором из данных, хранящихся в буфере приемника. Однако недостатком данной системы является возникновение неоднозначности измерений интерференционной разности фаз при обследовании шельфовых зон морских акваторий с подводным горным рельефом (резкие скачки и перепады глубин), что проявляется в виде разрывов данного информационного параметра и может являться следствием недостаточности объема первичных данных. Между тем, повышение качества выполнения батиметрической съемки поверхности сложной структуры с регулируемой точностью отображения рельефа можно осуществить за счет увеличения количества дискретных «промерных лучей»,
т.е. изменения плотности размещения интерференционных максимумов на плоскости апертур ЭАП МГА ИГБО, каждому из которых соответствует дискретный «луч», причем, как следует из Dc = l/a = lt/D пространственный период изменения интенсивности прямо пропорционален длине волны Л* используемого УЗ сигнала;
3) известно соотношение, позволяющее рассчитать d среднеквадратическое отклонение Z(R оценки ординат рельефа рассеивающей поверхности (см. Болдинов Р.О., Баскаков А.И., Скнаря А.В. Потенциальная точность ИГБО //Вестник МЭИ, 2016, З, С.66-77)\
где . длина волны УЗ сигнала в водной среде, Н - глубина,
- угол визирования, b - угол отклонения базы от вертикали, D _ база интерферометра, N . кратность некогерентного накопления, Ύ - коэффициент корреляции между двумя акустическими изображениями (интерферометрической парой). Из формулы следует, что потенциальная точность измерения рельефа донной рассеивающей поверхности прямо пропорциональна длине волны УЗ сигнала, причем, при использовании УЗ с меньшей длиной волны данный параметр ИГБО можно улучшить;
4) в прототипе измеряют с помощью МПГА эхолота, размещенной вместе с МГА ИГБО на ПВУ, которое закреплено на борту судна-носителя,
2 кратчайшее расстояние э от середины базы до рассеивающей поверхности. Пространственная избирательность МПГА эхолота (величина угловой ширины основного лепестка ХН) оказывает существенное влияние как на точность, так и достоверность данных о сложном рельефе «облучаемой» области рассеивающей поверхности. Так, точность раздельного пеленгования соседних
деталей расчлененного рельефа характеризуют величиной угла ^ ” , который для максимального метода пеленгования определяется соотношением
AQ = 0,6 - ^ v[m · q0 ’ 7 , где m “ - коэффициент, величина которого при использовании оператором визуального индикатора, составляет (0,05- 0,15); для слухового индикатора - > 0,2 (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - 272 с. Глава 8 Параметры аппаратуры в режиме приема. §8.1 Методы и характеристики пеленгования в режиме приема, с. 129 - 133). Однако в прототипе не предусмотрена возможность изменения угловой ширины основного лепестка ХН антенны эхолота, что также снижает точность измерений.
Признаки, совпадающие с заявляемым способом:
1) выбор рабочей частоты f , формы, размеров и конструкции
МГА(МПГА) из условия получения требуемой формы ХН за счет интерференции в водной среде УЗ колебаний:
- для ИГБО - специальной формы основного лепестка ХН МГА - узкого в азимутальной {y) (1° — 3°, продольный размер апертуры МГА от 10
А до 50 А) и широкого в угломестной (Q) (10° - 20°, поперечный размер апертуры МГА ~ от 2 А до 5 А) плоскостях соответственно,
- и для эхолота - осесимметричной формы основного лепестка ХН МПГА, у которого угловая ширина одинакова как в азимутальной (y), так и в угломестной ( Q ) плоскостях соответственно;
2) размещение на подводной части ПВУ надводного судна необходимого количества МГА (МПГА):
- для ИГБО - трех одинаковых МГА по одному (левому или правому) борту продольными размерами апертуры как в азимутальной плоскости (ф), так и вдоль направления движения судна - носителя для обеспечения
параллельно-смещенного пространственного расположения их акустических осей в одной плоскости импульсного акустического зондирования, из трех МГА - одна излучающая и две приемные, фазовые центры двух приемных
МГА ИГБО разнесены на расстояние 1) = Л ? равное базе интерферометра, где
^ I f длина волны, - скорость звука в воде, f - частота УЗ сигнала, излучающая МГА ИГБО расположена в средней точке его базы,
- и для эхолота - МПГА расположена на минимально возможном расстоянии от средней точки базы и ее акустическая ось также лежит в той же плоскости импульсного акустического зондирования, причем, все МГА (МПГА) состоят из совокупности ЭАП, соединенных кабелем с аппаратурой, и снабженных узлами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции;
3) регулировка пространственного расположения акустических осей всех МГА (МПГА) как в азимутальной (y), так и в угломестной {Q) плоскостях, что обеспечивает облучение обследуемой границы раздела:
- акустические оси всех четырех МГА (МПГА) лежат в плоскости импульсного акустического зондирования, которая перпендикулярна как к борту, так и к облучаемой поверхности, совпадая с угломестной (^) плоскостью, причем, акустические оси трех МГА ИГБО наклонно направлены в сторону облучаемой поверхности от ПВУ судна-носителя, образуя антенную систему интерферометра, для которого величина полезного вертикального сектора рабочих углов ^ визирования, в пределах которого осуществляется однозначное измерение разности фаз
узкополосных эхосигналов, принятых каждой из МГА ИГБО с малой базой D определяется соотношением
или для малых углов a = Df ' [ L2p(Ό/l)1 а акустическая ось МПГА эхолота направлена в сторону облучаемой поверхности от ПВУ судна-носителя и совпадает с нормалью к ней;
4) генерирование в излучающих трактах аппаратуры электрических колебаний и их кодирование - преобразование в кратковременные амплитудно- импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму кратковременных импульсов прямоугольной формы с малым временем нарастания фронта, а посылка содержит в себе несущую частоту f ;
5) преобразование с помощью ЭАП излучающей МГА ИГБО или МПГА эхолота, закрепленных на ПВУ выбранного борта судна-носителя кодированных электрических колебаний в кратковременные периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью в направлении облучаемой поверхности;
6) установление акустического контакта с участком облучаемой границы раздела, что обусловливает отражение посылок УЗ волн:
- для ИГБО - с клиновидной полоской облучаемой поверхности с элементарными точечными отражателями рельефа (слева или справа относительно диаметральной плоскости судна-носителя), что обусловит рассеяние УЗ волн во всех направлениях, часть вернется обратно к двум приемным МГА ИГБО, которые осуществляют прием эхосигналов в диапазоне углов , охватываемых проекциями их ХН на плоскость импульсного акустического зондирования, т.е. в вертикальном секторе рабочих углов & визирования ИГБО, и для эхолота - с участком облучаемой поверхности с элементарными точечными отражателями рельефа (слева или справа относительно диаметральной плоскости судна-носителя), что обусловит рассеяние УЗ волн во всех направлениях, часть вернется обратно к МПГА, которая осуществляет прием эхосигналов в диапазоне углов , охватываемых проекцией основного лепестка ХН на плоскость импульсного акустического зондирования;
7) преобразование с помощью ЭАП МГА (МПГА) в режиме приема отраженных УЗ волн в электрические сигналы:
- для ИГБО, амплитудно-фазовой структуры результирующего поля звукового давления, полученного при наложении когерентных рассеянных УЗ волн в вертикальном секторе рабочих углов ^ визирования ИГБО от точечных отражателей рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности, в интерференционную картину, соответствующую минимумам и максимумам пространственного перераспределения амплитуд, и для эхолота - амплитуды эхосигнала, пришедшего по кратчайшему расстоянию от точечных отражателей на участке облучаемой поверхности;
8) выделение в приемных трактах аппаратуры амплитуд информационных сигналов, полученных при отражении от выбранных участков границы раздела,
- для ИГБО - интерференционной картины, соответствующей распределению точечных рассеивателей рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности;
- и для эхолота - от ближайшего участка облучаемой поверхности; отображение результатов измерений для выбранного участка границы раздела, их регистрация и документирование в аппаратуре:
2
- для эхолота - измерение кратчайшего расстояния э от середины базы до рассеивающей поверхности;
- для ИГБО - а) измерение по интерференционной картине расстояний между нулевой линией, соответствующей середине базы приемных МГА, и серединами интерференционных полос, соответствующих точкам рассеяния принятых эхосигналов на клиновидной полоске облучаемой поверхности, которые пропорциональны удалению этих точек рассеяния от середины базы приемных МГА; б) определение с помощью масштабной линейки наклонных дальностей л
1 точек рассеяния эхо-сигналов до середины базы приемных МГА;
в) определение расстояния г каждой ^ -ой точки рассеяния от облучаемой поверхности относительно горизонтальной плоскости, проходящей через середину базы приемных МГА, по формуле Z; = (ίl)/0 , где I
1,2,3,...- номер интерференционной полосы, отсчитываемый от нулевой линии на интерференционной картине, соответствующей моменту излучения зондирующего сигнала, l . длина волны принимаемого эхосигнала; г) определение вертикальных расстояний
середины базы приемных МГА до каждой ^ -той точки рассеяния поверхности; д) построение профиля рельефа узкой, но протяженной полосы облучаемой поверхности в плоскости
относительно уровня ^
в данном цикле зондирования для диапазона глубин, соответствующих диапазону углов , охватываемых основными лепестками ХН приемных МГА ИГБО. с использованием полученных выше данных;
10) проведение измерений для следующих участков облучения на границе раздела, за счет как движения по заданному курсу судна-носителя, так и выполнения пунктов 4 -10 последовательности операций, что обеспечит получение ансамбля из профилей рельефов, которые используют для построения ее трехмерной формы.
Признаки, совпадающие с заявляемым устройством: генератор, коммутатор, гидроакустическая антенна, усилитель, детектор, индикатор, блок управления.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание способа много частотной интерферометрии для формирования УЗ изображения донной поверхности, и реализующего его устройства, позволяющего выполнять батиметрическую
съемку рельефа поверхности с необходимой точностью за счет регулировки плотности выполняемых промеров глубин.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности и достоверности гидроакустического отображения донной поверхности за счет регистрации и визуализации рассеянных УЗ полей кратных частот, формирующихся в водной среде вследствие нелинейного эффекта самовоздействия.
Технический результат достигается тем, что в способ бокового обзора, дополненный интерференционным каналом для амплитудно-фазовой обработки когерентных эхосигналов, включающий в себя:
1) выбор рабочей частоты f , формы, размеров и конструкции МГА из условия получения требуемой формы ХН за счет интерференции в водной среде УЗ колебаний:
- для ИГБО - специальной формы основного лепестка ХН МГА - узкого в азимутальной ( y) (1° - 3°, продольный размер апертуры МГА от 10
А до 50 , ) и широкого в угломестной (Q) (10° - 20°, поперечный размер апертуры МГА ~ от 2 А до 5 Л) плоскостях соответственно,
- и для эхолота - осесимметричной формы основного лепестка ХН МПГА, у которого угловая ширина одинакова как в азимутальной (y), так и в угломестной ( Q ) плоскостях соответственно;
2) размещение на подводной части ПВУ надводного судна необходимого количества МГА:
- для ИГБО - трех одинаковых МГА по одному (левому или правому) борту продольными размерами апертуры как в азимутальной плоскости (y), так и вдоль направления движения судна - носителя для обеспечения параллельно-смещенного пространственного расположения их акустических осей в одной плоскости импульсного акустического зондирования, из трех МГА - одна излучающая и две приемные, фазовые центры двух приемных
МГА ИГБО разнесены на расстояние Ό=l , равное базе интерферометра, где l = с/ ' f J - длина волны, с ^ - скорость звука в воде, J f - частота УЗ сигнала, излучающая МГА ИГБО расположена в средней точке его базы,
- и для эхолота - МПГА расположена на минимально возможном расстоянии от средней точки базы таким образом, чтобы ее акустическая ось была расположена в той же плоскости импульсного акустического зондирования,
3) регулировка пространственного расположения акустических осей всех МГА (МПГА) как в азимутальной {y), так и в угломестной (Q) плоскостях, что обеспечивает облучение обследуемой границе раздела:
- акустические оси всех четырех МГА (МПГА) лежат в плоскости импульсного акустического зондирования, которая перпендикулярна как к борту, так и к облучаемой поверхности, совпадая с угломестной (^) плоскостью, причем, акустические оси трех МГА ИГБО наклонно направлены в сторону облучаемой поверхности от ПВУ судна-носителя, образуя антенную систему интерферометра, для которого величина полезного вертикального сектора рабочих углов визирования, в пределах которого осуществляется однозначное измерение разности фаз
узкополосных эхосигналов, принятых каждой из МГА ИГБО с малой базой D , определяется соотношением D f = kD sin а откуда а = arcsin(A f / kD ) или для малых углов а = f r I/ [L2p( 4Όΐ ' l)\ а акустическая ось МПГА эхолота направлена в сторону облучаемой поверхности от ПВУ судна-носителя и совпадает с нормалью к ней;
4) генерирование в излучающих трактах аппаратуры электрических колебаний и их кодирование - преобразование в кратковременные амплитудно- импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму
кратковременных импульсов прямоугольной формы с малым временем нарастания фронта, а посылка содержит в себе несущую частоту f ;
5) преобразование с помощью ЭАП излучающей МГА ИГБО или МПГА эхолота, закрепленных на ПВУ выбранного борта судна-носителя кодированных электрических колебаний в кратковременные периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью, которые распространяются в направлении облучаемой поверхности;
6) установление акустического контакта с участком облучаемой границы раздела, что обусловливает отражение посылок УЗ волн: - для ИГБО - с клиновидной полоской облучаемой поверхности с элементарными точечными отражателями рельефа (слева или справа относительно диаметральной плоскости судна-носителя), что обусловит рассеяние УЗ волн во всех направлениях, часть вернется обратно к двум приемным МГА ИГБО, которые осуществляют прием эхосигналов в диапазоне углов , охватываемых проекциями их ХН на плоскость импульсного акустического зондирования, т.е. в вертикальном секторе рабочих углов ^ визирования ИГБО, и для эхолота - с участка облучаемой поверхности с элементарными точечными отражателями рельефа в диапазоне углов , охватываемых проекцией основного лепестка ХН на плоскость импульсного акустического зондирования;
7) преобразование с помощью ЭАП МГА в режиме приема отраженных УЗ волн в электрические сигналы:
- для ИГБО - амплитудно-фазовой структуры результирующего поля звукового давления, полученного при наложении когерентных рассеянных УЗ волн в вертикальном секторе рабочих углов ^ визирования ИГБО от точечных отражателей рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности, в интерференционную картину, соответствующую минимумам и максимумам пространственного перераспределения амплитуд,
и для эхолота - амплитуды эхосигнала, пришедшего по кратчайшему расстоянию от точечных отражателей на участке облучаемой поверхности;
8) выделение в приемных трактах аппаратуры амплитуд информационных сигналов, полученных при отражении от выбранных участков границы раздела,
- для ИГБО - интерференционной картины, соответствующей распределению точечных рассеивателей рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности;
- и для эхолота - от ближайшего участка облучаемой поверхности, что позволяет оценить его удаленность и отражательную способность;
9) отображение результатов измерений для выбранного участка границы раздела, их регистрация и документирование в аппаратуре;
10) проведение измерений для следующих участков облучения на границе раздела, за счет как движения по заданному курсу судна-носителя, так и выполнения пунктов 4 -10 последовательности операций, что обеспечит получение ансамбля из профилей рельефов, которые используют для построения ее трехмерной формы, дополнительно введены следующие операции:
11) генерирование в водной среде полигармонического пучка УЗ сигналов с частотами
где ^ — 1,2,3,..., порядковый номер гармоники, за счет формирования параметрической излучающей антенны (ПИА), в объеме которой распределены нелинейные источники высших гармонических спектральных компонент (нелинейный эффект самовоздействия);
12) установление акустического контакта с участком облучаемой границы раздела, что обусловливает отражение спектральных компонент полигармонического пучка УЗ:
- для ИГБО - с клиновидной полоской облучаемой поверхности с элементарными точечными отражателями поверхности, что обусловит рассеяние УЗ волн во всех направлениях, часть вернется обратно к двум приемным МГА ИГБО, которые осуществляют прием эхосигналов кратных частот
номер гармоники, в диапазоне углов , охватываемых проекциями их ХН на частотах nf на плоскость импульсного акустического зондирования, т.е. в вертикальном секторе рабочих углов & nf) визирования ИГБО, и для эхолота - с участком облучаемой поверхности с элементарными точечными отражателями рельефа на УЗ сигналах с частотами
где n = 1,2,3,..., /, порядковый номер гармоники , в диапазонах углов ^ , охватываемых проекциями основных лепестков ХН в приеме на частотах nf на плоскость импульсного акустического зондирования;
13) преобразование с помощью ЭАП МГА в режиме приема отраженных УЗ волн в электрические сигналы:
- для ИГБО - амплитудно-фазовой структуры полигармонического поля звукового давления, полученного при наложении когерентных рассеянных волн на УЗ сигналах с частотами 2/,3/,...г/,-и/ , где
П 1,2,3,...,/, *- порядковый номер гармоники, в вертикальном секторе рабочих углов
визирования ИГБО от точечных отражателей рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности в п интерференционных картин, соответствующих минимумам и максимумам пространственного перераспределения амплитуд на частотах высших гармоник, и для эхолота - амплитуды эхосигналов на частотах nf пришедших по кратчайшему расстоянию от точечных отражателей на участке облучаемой поверхности;
14) выделение в приемных трактах аппаратуры амплитуд информационных сигналов, полученных при отражении от выбранных участков границы раздела,
- для ИГБО - п интерференционных картин, соответствующих распределению точечных рассеивателей рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности для гармоник с частотами
где п = 1,2,3,...,/, порядковый номер гармоники,;
- и для эхолота - от ближайшего участка облучаемой поверхности, что позволяет оценить его удаленность и отражательную способность на гармониках с частотами nf; отображение результатов измерений для выбранного участка границы раздела, их регистрация и документирование в аппаратуре:
- для эхолота - измерение кратчайшего расстояния
от середины базы до рассеивающей поверхности на гармониках с частотами nf; - для ИГБО: а) измерение по выбранной из п интерференционной картин расстояний между нулевой линией, соответствующей середине базы приемных МГА, и серединами интерференционных полос, соответствующих точкам рассеяния принятых эхосигналов облучаемой поверхности, которые пропорциональны удалению этих точек рассеяния от середины базы приемных МГА; б) по выбранной из п интерференционной картин определение с - помощью масштабной линейки наклонных дальностей 1 точек рассеяния эхо- сигналов до середины базы приемных МГА;
Z в) определение расстояния 1 каждой ^ -ой точки рассеяния от облучаемой поверхности относительно горизонтальной плоскости, проходящей z ί = (ίl)/Ώ через середину базы приемных МГА, по формуле , где I .
1,2,3,...- номер интерференционной полосы, отсчитываемый от нулевой линии на выбранной из ^ интерференционной картине, соответствующей моменту излучения зондирующего сигнала,
- длина волны принимаемого эхосигнала; г) по выбранной из п интерференционной картин определение
. Xi вертикальных расстоянии 1 = r^ 1 l\-( \ /D) /2 от середИНЫ базы приемных МГА до каждой ^ -той точки рассеяния поверхности; д) построение профиля рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности в плоскости xO Уv относительно уровня Z = Z э в данном цикле зондирования для диапазона глубин, соответствующих диапазону углов , охватываемых основными лепестками ХН приемных МГА ИГБО. с использованием полученных выше данных;
16) проведение измерений для следующих участков облучения на границе раздела, за счет как движения по заданному курсу судна-носителя, так и выполнения пунктов 4 -10 из последовательности операций, что обеспечит получение ансамбля из профилей рельефов, которые используют для построения его трехмерной формы.
Предпочтительно отображение результатов измерений для выбранного участка границы раздела, их регистрация и документирование в аппаратуре
2, осуществлять: для эхолота - измерение кратчайшего расстояния э от середины базы до рассеивающей поверхности;
- для ИГБО: а) измерение по интерференционной картине расстояний между нулевой линией, соответствующей середине базы приемных МГА, и серединами интерференционных полос, соответствующих точкам рассеяния принятых эхосигналов на клиновидной полоске облучаемой поверхности, которые
пропорциональны удалению этих точек рассеяния от середины базы приемных МГА; б) определение с помощью масштабной линейки наклонных дальностей
1 точек рассеяния эхо-сигналов до середины базы приемных МГА;
Z ' в) определение расстояния * каждой ^ -ой точки рассеяния от облучаемой поверхности относительно горизонтальной плоскости, проходящей через середину базы приемных МГА, по формуле
= l)/ϋ , где I
1,2,3,...- номер интерференционной полосы, отсчитываемый от нулевой линии на интерференционной картине, соответствующей моменту излучения зондирующего сигнала, l . длина волны принимаемого эхосигнала; г) определение вертикальных расстояний
от середины базы приемных МГА до каждой ^ -той точки рассеяния поверхности; д) построение профиля рельефа в плоскости хОу относительно уровня
Z = Z э, в данном цикле зондирования для диапазона глубин, соответствующих диапазону углов Q , охватываемых основными лепестками ХН приемных МГА ИГБО. с использованием полученных выше данных;
Поставленная задача решается также устройством для реализации способа, которое содержит два измерительных канала: 1) интерферометр, включающий в себя излучающий тракт, состоящий из последовательно соединенных генераторного устройства, усилителя мощности и излучающей МГА, и приемный тракт из последовательно соединенных двух приемных МГА, двух звеньев по ^ параллельно включенных резонансных приемоусилительных устройств для частот
, двух ^ - входовых аналоговых ключей, фазового различителя, регистратора, устройства
определения номера ^ интерференционной полосы, вычислителя, устройства вычисления; программируемое устройства построения рельефа, устройства отображения; 2) эхолот, включающий в себя излучающий тракт, состоящий из последовательно соединенных импульсного генераторного устройства, усилителя мощности, коммутатора «прием-передача» и приемоизлучающую МГА, а также одно звено из ^ параллельно включенных резонансных приемоусилительных устройств для частот
, одного ^ - входового аналогового ключа и блока управления.
Предпочтительно ввести усилители в излучающие тракты интерферометра и эхолота, подключенные к генераторным устройствам.
Приемные тракты интерферометра и эхолота могут быть выполнены из звеньев, содержащих по Т7 параллельно включенных резонансных приемоусилительных устройств, настроенных на соответствующую спектральную составляющую f
и Yl - входовых аналоговых ключей, а управляющие входы данных блоков соединены с соответствующими выходами блока управления.
Оптимально каждый ЭАП в МГА снабдить пьезоэлементом, элементами экранировки, гидро-, электро- и шумоизоляции.
Заявляемые способ и устройство связаны единым изобретательским замыслом и позволяют выполнять батиметрическую съемку поверхности сложной структуры с высокой точностью и достоверностью гидроакустического отображения рельефа донной поверхности за счет регулировки плотности выполняемых промеров глубин.
Краткое описание фигур чертежей
Заявляемый способ и устройство для его реализации поясняются следующими чертежами.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ. Структурная схема содержит два измерительных канала:
1) ИГБО 1, включающий в себя излучающий тракт, состоящий из последовательно соединенных генераторного устройства 2, усилителя мощности 3 и излучающей МГА 4, и приемный тракт из последовательно соединенных двух приемных МГА 5, 6, двух звеньев по ^ параллельно включенных резонансных приемоусилительных устройств 7 для частот
, двух ^ - входовых аналоговых ключей 8, фазового различителя 9, регистратора
10, устройства определения номера ^ интерференционной полосы 11, вычислителя 12, устройства вычисления 13; программируемое устройство построения рельефа 14, устройство отображения 15; 2) эхолот 16, включающий в себя тракты: излучения - последовательно соединенные импульсное генераторное устройство 17, усилитель мощности 18, коммутатор 19 «прием-передача», приемоизлучающей МГА 20, приема и обработки - одного звена из ^ параллельно включенных резонансных приемоусилительных устройств 21 для частот
, одного ^ - входового аналогового ключа 22, устройства вычисления 13; программируемого устройства построения рельефа 14, устройства отображения 15 и блока управления 23.
На фиг.2 изображена схема, поясняющая способ, где в проекции на вертикальную плоскость изображены:
4, 5, 6, 20 - излучающая и приемные МГА ИГБО, МИГА эхолота соответственно;
D - база интерферометра в ИГБО;
О - средняя точка базы интерферометра в ИГБО;
- геометрическая разность хода эхосигнала от некоторой точки
поверхности дна до антенн интерферометра в ИГБО;
nf) . наклонная дальность от базы интерферометра в ИГБО до точки
поверхности дна;
Z W) К высота точки 4 ' поверхности относительно горизонтальной плоскости, проходящей через среднюю точку базы интерферометра в ИГБО;
Q . угол, отсчитываемый от оси ХН МГА А в вертикальной плоскости;
Q Knf) . угол скольжения;
L 'i(nf) горизонтальная дальность от средней точки базы интерферометра в ИГБО до некоторой точки
.
На фиг.З представлены в полярных координатах совокупность ХН двух приемных МГА 5, 6 для D 'l = 1 (частота J f . - ), 2 (частота 2 f , - ),
3 f
3 (частота J
что поясняет особенности работы интерферометра 1 в ИГБО и устройства, реализующего способ.
На фиг.4 для одного и того же по площади участка донной поверхности на сигналах кратных частот / J 2/ J ,’3/ J представлены в координатах «Наклонная дальность, м - Путевая дальность, м», три вида интерференционных картин, где горизонтальная ось, т.е. начало отсчета наклонной дальности, соответствует моменту излучения интерферометром 1 зондирующего сигнала, а также расстояния Х\ П '’Х 27 п у-хц Kъ Jп J от горизонтальной оси до первых интерференционных полос, соответствующих наклонным дальностям Г1(/)’Г1(2/)> Г1(3/) до соседних точек на этой площади донной поверхности.
На фиг.5 представлена экспериментальная сонограмма участка неровно- складчатой донной поверхности Бристольского канала. Путевая длина 1000 м, ширина 250 м, глубины (15-30) м.
Примеры предпочтительных вариантов осуществления изобретения Заявляемые способ и устройство реализуются следующим образом.
Для формирования УЗ изображения донной поверхности сложной структуры на погруженной в воду части ПВУ размещены три МГА - одна излучающая 4 и две приемных 5, 6 интерферометра 1 в ИГБО, а также МПГА 20 эхолота 16, причем так, что их акустические оси находятся в одной плоскости импульсного акустического зондирования. Фазовые центры двух
МПГА 5, 6 интерферометра 1 в ИГБО разнесены на расстояние Ό=l , равное базе интерферометра, где l = с! ' f J - длина волны, с ° - скорость звука в воде,
J - частота УЗ сигнала. Излучающая МГА 4 интерферометра 1 в ИГБО расположена в средней точке его базы, а МПГА 20 эхолота 16 расположена на минимально возможном расстоянии от средней точки базы. В некоторый момент времени синхроимпульсом с выхода регистратора 10 запускают излучающий тракт интерферометра 1 ИГБО, состоящий из последовательно соединенных генераторного устройства 2, усилителя мощности 3 и излучающей МГА 4, которая излучает через водную среду в сторону рассеивающей донной поверхности мощный УЗ импульсный зондирующий сигнал (фиг.1, 2). Водная среда обладает нелинейностью своих упругих свойств, что приводит к возникновению при распространении импульса интенсивной ультразвуковой волны нелинейного эффекта - самовоздействия (см. Мюир Т.Дж. Нелинейная акустика и ее роль в геофизике морских осадков//Акустика морских осадков/ Пер. с англ.; Под ред. Ю. Ю. Житковского. - М.: Мир, 1977. - с. 227 - 273), который можно рассматривать как результат воздействия нелинейного изменения упругих свойств среды на характеристики мощного импульсного зондирующего сигнала накачки с частотой / в области распространения. Получение достоверной информации
о параметрах донной поверхности сложной структуры с помощью устройства для реализации способа обеспечивается применением для облучения не только f сигнала накачки с частотой J , но и сформировавшихся в водной среде УЗ сигналов высокочастотного диапазона: - высших гармонических составляющих с частотами
д порядковЬ1Й номер гармоники. Нелинейный эффект в УЗ поле позволяет разделить в пространстве процессы преобразования электрической энергии в УЗ (МГА 4) и формирования направленного излучения (участок водной среды, в котором взаимодействуют частотные составляющие спектра мощного УЗ импульса, соответствующие его тональному заполнению и огибающей). В водном объеме распределены нелинейные источники указанных выше акустических сигналов, в результате чего генерируются ВЧ (самовоздействие) УЗ сигналы в пределах небольших телесных углов при практически полном отсутствии бокового поля. Полигармонический зондирующий УЗ сигнал, содержащий спектральные составляющие С частотами /,2/,3/,...и/ где п = 1,2,3»···*·. порядковый номер гармоники, после распространения в водной среде достигает точек м *(и/) рассеяния на клиновидной полоске облучаемой донной поверхности в направлении перпендикулярном линии курса носителя, и отражается. После излучения зондирующего сигнала интерферометр 1 ИГБО переходит в режим приема рассеянных донной поверхностью эхосигналов. После приема эхосигнала от наиболее удаленной точки облученной полосы режим приема заканчивается, судно-носитель перемещается по курсу и интерферометр 1 ИГБО излучает в сторону дна очередной УЗ зондирующий импульс и т.д. Прием эхосигналов производится двумя разнесенными в вертикальной плоскости МПГА 5, 6. Первыми к антеннам приходят эхосигналы от наиболее близких точек поверхности, затем от все более удаленных точек облученной полосы дна. Все отраженные составляющие полигармонического УЗ сигнала несут амплитудную информацию об облучаемой границе раздела, позволяя на каждой указанной выше частоте судить об ее отражательной способности, причем, прием
эхосигналов на две разнесенные в вертикальной плоскости МПГА 5, 6 обусловливает их интерференцию. С этой целью осуществляется преобразование с помощью ЭАП обеих МПГА 5, 6 амплитудно-фазовой структуры результирующего поля звукового давления, полученного при f наложении рассеянных полигармонических УЗ волн с частотами J ,
^ f f ’"' f
в вертикальном секторе рабочих углов
визирования интерферометра 1 ИГБО от точечных отражателей рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности в электрические сигналы, соответствующие интерференционным неравномерностям пространственных распределений амплитуд полигармонических УЗ волн с частотами f
Уровни каждого из электрических сигналов определяются ХН p.f ( \ plf (b)’ p.lf (^)’ - p.if (фиг.З), а также
Y льностями Jf,Y2 Jf,Y3 Jf,. ,Y чувствите i Jf в режиме приема МПГА 5,
6 для каждой из рассеянных границей раздела УЗ волн с указанными выше частотами колебаний. На фиг.З представлены в полярных координатах совокупность ХН двух МПГА 5, 6 для D Я 1 (частота J .
2
(частота 2 J/ ,_ - - -,), D/ ' l = 3 (частота з J/. _ _ что поясняет особенности работы интерферометра 1 ИГБО и устройства, реализующего способ. Из него видно, что для двух МПГА 5, 6 имеет место: 1) при
= i
(частота f . - ) - один максимум, облучаемый сектор ± 15,3°, ^,7(/)
D! l f
=13,3°; 2) при ' = 2 (частота
— три максимума, облучаемые в каждом сектора ±7,6°
= з (частота
пять максимумов, облучаемые в каждом секторе ±5°, ®>^(^/)=4,43 °, причем, добавочные 100% максимумы, расположенные под углом 90° к направлению нормали к базе D также имеют меньшую угловую ширину. Отсюда следует
вывод о том, что дополнительное применение второй и третьей гармоник в устройстве позволяет увеличить результирующий измерительный сектор практически в 3,5 раза, равномерно перекрывая его 100% максимумами. Следует отметить, что повышение качества выполнения батиметрической съемки поверхности сложной структуры с регулируемой точностью отображения рельефа можно осуществить в направлении совпадения всех трех центральных максимумов (фиг.З) за счет увеличения количества дискретных «промерных лучей», т.е. увеличения плотности размещения интерференционных максимумов на плоскости апертур ЭАП МГА 5, 6 интерферометра 1 ИГБО, каждому из которых соответствует дискретный «луч». Это следует из того, что пространственный период изменения интенсивности
пропорционален длине волны l используемого УЗ сигнала и применение гармоник может позволить выполнять батиметрическую съемку поверхности сложной структуры с различной точностью отображения рельефа за счет регулировки плотности выполняемых промеров глубин. Итак, электрические сигналы, соответствующие интерференционным неравномерностям пространственных распределений амплитуд полигармонической УЗ волн с частотами f , ^ f ^ f
, обрабатываются в приемном тракте интерферометра 1 ИГБО, включающем в себя два звена по ^ параллельно включенных резонансных приемоусилительных устройств 7 для частот J , двух ^ - входовых аналоговых ключей 8, фазового различителя 9, регистратора 10, устройства определения номера ^ интерференционной полосы 11, вычислителя 12, устройства вычисления 13; программируемого устройства построения рельефа 14, устройства отображения 15, для некоторых из них режим работы может определяться оператором (или автоматической системой принятия решений) через блок управления 23. На выходе интерферометра 1 ИГБО выделяется электрический сигнал, который на яркостном регистраторе 10 с растровой разверткой в координатах «Путевая дальность» - «Наклонная дальность» будет наблюдаться как минимум одна из ^ интерференционных картин,
представляющая совокупность чередующихся темных и светлых полос (см. фиг.4). Как видно из фиг.4, для одной и той же площади облучаемой поверхности количество интерференционных полос для высших гармоник больше, что и обусловит увеличение получаемой информации о рельефе дна (на высших гармониках интерференционные полосы «заполняют зазоры» между имеющимися максимумами для первой гармоники). Каждая интерференционная полоса на интерференционных картинах имеет свой номер, равный целому числу ί длин волн
характеризующих разность хода
причем, на выбранной интерференционной картине для частот f или 2/ илТИи J ... или nf X i( nf\
J ИТ 3/ измеряют расстояния ' между нулевой линией, соответствующей середине базы МПГА 4, 5 и интерференционными полосами, соответствующим эхосигналам от различных точек рассеяния на клиновидной полоске облучаемой поверхности (слева или справа относительно
X диаметральной плоскости судна-носителя). Расстояния Knf)
Г f rrf\ пропорциональны соответствующим наклонным дальностям y ' до точек рассеяния эхосигнала от середины базы МПГА 4, 5 (наклонные дальности г
Knf) измеряют с помощью масштабной линейки). Наклонные дальности
Г · М, Z
Knf) i( hίL до точек ч :/ поверхности связаны с высотой K J этой точки относительно горизонтальной плоскости, проходящей через среднюю точку
Z - V· базы МПГА 4, 5 интерферометра 1 соотношением п/) = *("/) sin q K· nf)
В свою очередь
откуда z Knf) rKnf) (' l nf))/D . Горизонтальные дальности от середины базы МПГА 4, 5 до некоторой 1 -той точки рассеяния
поверхности могут
быть определены по формуле ^inf)
Таким образом, каждая из ^ интерференционных картин однозначно связана с рельефом донной поверхности и они могут быть использованы для определения высот и горизонтальных дальностей в широкой полосе обзора.
Для этого необходимо выбрать необходимую из ^ интерференционных картин, определить номера интерференционных полос ^ , измерить наклонные дальности
и , по известному для данного интерферометра ИГБО ношению ^nf J ) > > / Zt соот D выполнить расчеты по определению высот '*'(«/) и
L горизонтальных дальностей Ч 'п “JГ) J , используя указанные выше соотношения. Для увеличения точности проводимых измерений предусмотрен еще один измерительный канал - эхолот 16, включающий в себя тракты: излучения - последовательно соединенные импульсное генераторное устройство 17, усилитель мощности 18, коммутатор 19 «прием -передача», приемоизлучающую МГА 20, а также приема и обработки эхосигналов кратных частот /
.и/ . одного звена из п параллельно включенных резонансных приемоусилительных устройств 21 для частот Yl Jf , одного ^ - входового аналогового ключа 22, с выхода которого электрический
Z; сигнал пропорциональный величине '*0/) подается на вход устройства вычисления 13 через программируемое устройство построения рельефа 14 на вход устройства отображения 15, функционирование эхолота 16 осуществляется оператором через блок управления 23.
В статье ( Stubbs A. R., McCartney B.S., Legg J.G. Telesounding, a method of wide swathe depth measurement. International Hydrographic Review.- Monte Carlo, 1974, vol.51, N°l, P.23-59), в которой описан метод-прототип, также есть разделы с описаниями применяемого оборудования, в частности, многоэлементных гидроакустических антенн (МГА), и полученных
экспериментальных результатов (стр. 34 - 57). Итак, рабочая частота УЗ - 250 кГц, длина волны в воде 0,6 см, форма основного лепестка ХН МГА - узкий в азимутальной {y) - (1°) и широкий в угломестной (Q) - (35°) плоскостях соответственно, выходная мощность 70 Вт, длительность импульса 0,4 мс, база интерферометра 20 см, максимальное количество «лучей» в пучке 33,8, угол наклона относительно горизонта 20°, выходной сигнал регистрировался на 11” Mufax wet paper recorder (sweep rate of 3per second, recorder range 250 m). Проведем анализ информации, представленной на фиг.5 (стр.49) с подписью «Участок неровно-складчатой донной поверхности Бристольского канала. Путевая длина 1000 м, ширина 250 м, глубины (15-30) м. Вверху — темная линия - запись излученной посылки, ниже - интенсивная темная линия - запись дна под судном-носителем, еще ниже - запись дна чуть в стороне от судна-носителя, далее идет достаточно большой участок без регистрируемых отражений, а вот за ним и следует основной информативный участок. На нем представлена типичная интерференционная картина: максимумы (светлые полосы) переходят в минимумы (темные полосы) и т.п. при удалении в сторону от судна-носителя, отличие от упорядоченной интерференционной картины в оптике состоит: 1) в «извивах или зигах» как светлых, так и темных полос, что обусловлено неровностью и складками, т.е. рельефом донной поверхности (в оптике для наблюдения интерференционной картины в виде черно-белого «пешеходного перехода» применяют ровный и плоский экран, нормаль к которому направлена в середину базы двух когерентных источников), 2) увеличивается ширина как светлых, так и темных полос, что обусловлено интерференцией эхосигналов от участков облучаемого дна, площади которых увеличиваются за счет дифракции УЗ при удалении вбок от судна-носителя. Таким образом, из рис.5 прототипа видно, что интенсивность
I периодически меняется вдоль оси % от нуля до максимального значения
/ max = 4/ 1 в соответствии с соотношением
/ = 2L 1 [ L1 + cos( 42;r · а · х '/ l) 7\ J , где а « D/ ' r - угол схождения интерферирующих лучей, т.е. угол, под которым из точки на рассеивающей
поверхности с удалением Y наблюдается база
приемных антенн. пространственный период изменения интенсивности Dc = l/a есть размер ширины как интерференционной полосы, так и зазора между ними. Отсюда следует, что разрешающая способность регистратора интерференционной картины зависит от длины волны получаемая информация представлена «квантовано»: максимумы (эхосигналы в данном направлении усилили друг друга и информация представлена) и минимумы (эхосигналы в данном направлении ослабили друг друга и информация потеряна), что осложняет регистрацию эхосигналов от тонких деталей элементов рельефа дна, находящихся на разных расстояниях, затрудняя интерпретацию и «расшифровку» полученных данных. Из экспериментальных данных, представленных в прототипе, и в частности, на фиг.5 следует, что недостатком данной системы является возникновение неоднозначности измерений интерференционной разности фаз при обследовании шельфовых зон морских акваторий с подводным горным рельефом (резкие скачки и перепады глубин), что проявляется в виде разрывов данного информационного параметра и может являться следствием недостаточности объема первичных данных. Между тем, повышение качества выполнения батиметрической съемки поверхности сложной структуры с регулируемой точностью отображения рельефа можно осуществить за счет увеличения количества дискретных «промерных лучей», т.е. изменения плотности размещения интерференционных максимумов на плоскости апертур ЭАП МГА ИГБО, каждому из которых соответствует дискретный «луч», причем, как следует из
пространственный период изменения интенсивности прямопорционален длине волны используемого УЗ сигнала («уплотнение» интерференционных полос на сонограмме, можно выполнить за счет уменьшения длины волны ? х.е. применения высших гармоник полигармонического зондирующего сигнала). Проведем расчеты по фиг.5 - ширина изображения всей сонограммы 12см (в эксперименте 250 м), выберем участок изображения на сонограмме, соответствующий в эксперименте 100 м - это будет 4,8 см на фиг.5,
расположим этот участок в правом крае сонограммы (там, где наибольшая глубина под судном-носителем и большое количество интерференционных полос-«зигов»). На длине 4,8 см расположено 12 полос, пересчитаем в реальные размеры на дне - 100 м/12 = 8,33 м. Это усредненное расстояние между серединами как минимумов, так и максимумов, причем, если рассмотреть две соседние светлые полосы (есть информация о поверхности), то они разделены темной полосой (нет информации о поверхности). Ширина темной полосы примерно равна двум полуширинам светлой полосы, отсюда усредненная величина участка донной поверхности с разрывом информационного параметра составляет около 4,2 м. Если же использовать высшие гармоники - вторую с частотой 500 кГц и третью с частотой 750 кГц, то будем иметь 2,1 м и 1,4 м соответственно. Таким образом, предлагаемый способ многочастотной интерферометрии для формирования УЗ изображения донной поверхности, и реализующее его устройство позволяют выполнять батиметрическую съемку рельефа поверхности с необходимой точностью за счет регулировки плотности выполняемых промеров глубин (см. фиг.4), причем, технический результат изобретения достигается за счет регистрации и визуализации рассеянных УЗ полей кратных частот, формирующихся в водной среде вследствие нелинейного эффекта самовоз действия.
Блоки 2 - 12 интерферометра 1 представляют собой типовые функциональные узлы стандартных интерферометрических ГБО, известные из общедоступных источников сведений (см. Барась С.Т. Исследование и разработка гидролокационного интерферометра для картографической съемки дна в широкой полосе обзора. Дис. канд техн. наук/ ОКБ «Риф», г. Бельцы 1981 210с., Stubbs A.R., McCartney B.S., Legg J.G. Telesounding. A method of wide swathe depth measurement - International Hydrographic Review. - Monte Carlo, 1974, vol.51, N°1, p.23-59). Блоки 13 - 15 представляют собой электронные приборы, алгоритм работы которых реализован с помощью аналоговых и цифровых программируемых средств, например, в судовых многолучевых эхолотах, обеспечивающих построение ЗД изображений поверхности дна акваторий (см. Фирсов Ю. Г. Основы гидроакустики и использования гидрографических сонаров. Нестор-История, Санкт-Петербург, 2010, - 350с.)
Блоки 17 - 22 эхолота 16 являются типовыми функциональными узлами судовых эхолотов, в частности, навигационных подробно рассмотренных в литературе (см. Кобяков Ю. С.. Кудрявцев Н. Н., Тимошенко В. И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Л.: Судостроение, 1986. - 272с., Хребтов А. А. Судовые эхолоты. -Л.: Судостроение, 1982. -232с.)
Таким образом, заявляемый способ многочастотной интерферометрии для формирования ультразвукового изображения донной поверхности сложной структуры и устройство для его реализации позволяют увеличить объем первичной информации за счет регистрации эхосигналов от тонких деталей элементов рельефа дна, что облегчит интерпретацию и «расшифровку» полученных данных, а также уменьшает как величину среднеквадратического
S отклонения Z(P оценки ординат рельефа рассеивающей поверхности (при использовании УЗ с меньшей длиной волны данный параметр ИГБО можно улучшить), так и неоднозначность измерений интерференционной разности фаз при обследовании шельфовых зон морских акваторий с подводным горным рельефом (резкие скачки и перепады глубин), проявляющейся в виде разрывов данного информационного параметра. Дополнение измерительного интерференционного канала многочастотным эхолотом, МПГА которого размещена вместе с МПГА на ПВУ позволяет измерять оператору кратчайшее
2 расстояние э от середины базы до рассеивающей поверхности с требуемой точностью, так как пространственная избирательность приемоизлучающей антенны эхолота (величина угловой ширины основного лепестка ХН) оказывает существенное влияние как на точность, так и достоверность данных о сложном рельефе «облучаемой» области рассеивающей поверхности.
Claims
1. Способ многочастотной интерферометрии для формирования ультразвукового изображения донной поверхности сложной структуры, включающий: - выбор рабочей частоты f , формы, размеров и конструкции МГА и
МПГА из условия получения требуемой формы ХН за счет интерференции в водной среде УЗ колебаний: для ИГБО - специальной формы основного лепестка ХН МГА - узкого в азимутальной ( y ) (1° - 3°, продольный размер апертуры МГА от 10 Л до 50 Л) и широкого в угломестной (Q) (10° - 20°, поперечный размер апертуры МГА ~ от 2 до 5 Л ) плоскостях соответственно, для эхолота - осесимметричной формы основного лепестка ХН МПГА, у которого угловая ширина одинакова как в азимутальной ( ), так и в угломестной ( Q ) плоскостях соответственно; - размещение на подводной части ПВУ судна необходимого количества
МГА и МПГА:
- для ИГБО - трех одинаковых МГА по одному борту продольными размерами апертуры как в азимутальной плоскости (y), так и вдоль направления движения судна - носителя для обеспечения параллельно- смещенного пространственного расположения их акустических осей в одной плоскости импульсного акустического зондирования, из трех МГА - одна излучающая и две приемные, фазовые центры двух приемных МГА ИГБО разнесены на расстояние ΰ=l , равное базе интерферометра, где A = c/f
- длина волны, С - скорость звука в воде, J - частота УЗ сигнала, излучающая МГА ИГБО расположена в средней точке его базы,
- и для эхолота - МПГА расположена на минимально возможном расстоянии от средней точки базы таким образом, чтобы ее акустическая ось
была расположена в той же плоскости импульсного акустического зондирования,
- регулировка пространственного расположения акустических осей всех МГА и МПГА как в азимутальной (y), так и в угломестной (Q) плоскостях, таким образом, чтобы акустические оси МГА и МПГА лежали в плоскости импульсного акустического зондирования, которая перпендикулярна как к борту, так и к облучаемой поверхности, совпадая с угломестной (^) плоскостью, причем, акустические оси трех МГА ИГБО наклонно направлены в сторону облучаемой поверхности от ПВУ судна-носителя, образуя антенную систему интерферометра, а акустическая ось МПГА эхолота была направлена в сторону облучаемой поверхности от ПВУ судна-носителя и совпадала с нормалью к ней;
- генерирование в излучающих трактах электрических колебаний и их кодирование путем преобразования в кратковременные амплитудно- импульсные модулированные колебания, огибающая которых повторяет форму кратковременных импульсов прямоугольной формы с малым временем нарастания фронта, а посылка содержит в себе несущую частоту f ;
- преобразование с помощью ЭАП излучающей МГА ИГБО и МПГА эхолота, закрепленных на ПВУ судна-носителя кодированных электрических колебаний в кратковременные периодические посылки УЗ волн с необходимой длительностью в направлении облучаемой поверхности;
- после установления акустического контакта с участком облучаемой границы раздела получают отраженные посылки УЗ волн: для ИГБО - с клиновидной полоски облучаемой поверхности с элементарными точечными отражателями рельефа слева или справа относительно диаметральной плоскости судна-носителя, для эхолота - с участка облучаемой поверхности с элементарными точечными отражателями рельефа в диапазоне углов , охватываемых проекцией основного лепестка ХН на донную поверхность;
- преобразование с помощью МГА и МПГА в режиме приема отраженных УЗ волн в электрические сигналы:
- для ИГБО - амплитудно-фазовой структуры результирующего поля звукового давления, полученного при наложении когерентных рассеянных УЗ волн в вертикальном секторе рабочих углов & визирования ИГБО от точечных отражателей рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности, в интерференционную картину, соответствующую минимумам и максимумам пространственного перераспределения амплитуд,
- и для эхолота - амплитуды эхосигнала, пришедшего по кратчайшему расстоянию от точечных отражателей на участке облучаемой поверхности; выделение в приемных трактах аппаратуры амплитуд информационных сигналов, полученных при отражении от выбранных участков границы раздела,
- для ИГБО - интерференционной картины, соответствующей распределению точечных рассеивателей рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности;
- и для эхолота - от ближайшего участка облучаемой поверхности,
- отображение результатов измерений для выбранного участка границы раздела, их регистрация и документирование в аппаратуре:
- проведение аналогичных измерений для следующих участков облучения на границе раздела, при движении по заданному курсу судна- носителя для обеспечения получения ансамбля из профилей рельефов, отличающийся тем, что в него дополнительно введены
- генерирование в водной среде полигармонического пучка УЗ сигналов с частотами
порядковый номер гармоники, путем формирования параметрической излучающей антенны (ПИА), в объеме которой распределены нелинейные источники
высших гармонических спектральных компонент для обеспечения нелинейного эффекта самовоздействия;
- после установления акустического контакта с участком облучаемой границы раздела с помощью МГА ИГБО осуществляют прием эхосигналов от клиновидной полоски облучаемой поверхности, кратных частотам
, где п = 1,2,3,...,/, порядковый номер гармоники, в диапазоне углов
охватываемых проекциями их ХН на частотах nf на плоскость импульсного акустического зондирования, в вертикальном секторе рабочих углов ^(nf) визирования ИГБО, а с помощью эхолота осуществляют прием эхосигналов с участка облучаемой поверхности с элементарными точечными отражателями рельефа в диапазоне углов
охватываемых проекцией основного лепестка ХН на донную поверхность;
- осуществляют преобразование с помощью ЭАП МГА: для ИГБО в режиме приема отраженных УЗ волн в виде амплитудной и фазовой составляющих когерентных рассеянных волн с частотами
, где /7 = 1, 52, ’3, ’..., ’/, ’.... - порядковый номер гармоники, в электрические сигналы, для эхолота - амплитуды эхосигналов на частотах nf, пришедших по кратчайшему расстоянию от точечных отражателей на участке облучаемой поверхности;
- выделение в приемных трактах аппаратуры информационных сигналов, полученных при отражении от выбранных участков границы раздела,
- в ИГБО - п интерференционных картин, соответствующих распределению точечных рассеивателей рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности для гармоник с частотами
где п = 1,2,3,...,/, порядковый номер гармоники,;
- а для эхолота - от ближайшего участка облучаемой поверхности, с учетом удаленности и отражательной способности на гармониках с частотами nf;
- получение результатов для выбранного участка границы раздела, обработка сигналов на гармониках с частотами nf, их регистрация и документирование.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что антенную систему интерферометра выбирают с условием, чтобы величина полезного вертикального сектора рабочих углов & визирования, в пределах которого осуществляется однозначное измерение разности фаз
узкополосных эхосигналов, принятых каждой из МГА ИГБО с малой базой D г определялась согласно соотношению Af = kDsina откуда а = arcsin( 4A< Ύ2? ' / kD) 7 или для малых углов а = Af Ύ ' /[ L2p( 4Ό ' / l)l ;
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что приемные МГА ИГБО осуществляют прием эхосигналов в диапазоне углов Q , охватываемых проекциями их ХН на плоскость импульсного акустического зондирования, в вертикальном секторе рабочих углов ^ визирования ИГБО.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отображение результатов измерений для выбранного участка границы раздела, их регистрацию и документирование в аппаратуре осуществляют путем:
- измерения кратчайшего расстояния
от середины базы до рассеивающей поверхности для эхолота;
- измерения по интерференционной картине расстояний между нулевой линией, соответствующей середине базы приемных МГА, и серединами интерференционных полос, соответствующих точкам рассеяния принятых эхосигналов на клиновидной полоске облучаемой поверхности,
пропорциональных удалению точек рассеяния от середины базы приемных МГА;
- определение с помощью масштабной линейки наклонных дальностей
1 точек рассеяния эхо-сигналов до середины базы приемных МГА;
·
- определение расстояния каждой ^ -ой точки рассеяния от облучаемой поверхности относительно горизонтальной плоскости, проходящей через середину базы приемных МГА, по формуле
1,2,3,...- номер интерференционной полосы, отсчитываемый от нулевой линии на интерференционной картине, соответствующей моменту излучения зондирующего сигнала, l . длина волны принимаемого эхосигнала;
„ = h - (il/Ό)
- определение вертикальных расстоянии 1 1 n 1 '2 от середины базы приемных МГА до каждой ^ -той точки рассеяния поверхности; построение профиля рельефа клиновидной полоски облучаемой поверхности в плоскости
относительно уровня ^
в данном цикле зондирования для диапазона глубин, соответствующих диапазону углов , охватываемых основными лепестками ХН приемных МГА ИГБО. с использованием полученных данных.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в ИГБО осуществляют преобразование амплитудно-фазовой структуры полигармонического поля звукового давления, полученного при наложении когерентных рассеянных волн на УЗ сигналах, в вертикальном секторе рабочих углов ^(nf) визирования ИГБО от точечных отражателей рельефа на клиновидной полоске облучаемой поверхности в п интерференционных картин, соответствующих минимумам и максимумам пространственного перераспределения амплитуд на частотах высших гармоник.
6. Устройство для реализации способа по п.1, включающее два измерительных канала, первый из которых содержит интерферометр, включающий в себя излучающий тракт, состоящий из последовательно соединенных между собой генераторного устройства и излучающей МГА, и приемный тракт из параллельно соединенных двух приемных МГА, каждая из которых соединена с группой из п резонансных приемоусилительныных устройств, параллельно соединенных между собой, и с блоком управления, подключенным одним выходом к одному из входов п - входового аналогового ключа и к входам параллельно включенных п резонансных приемоусилительных устройств, а двумя другими выходами к аналоговым ключам, каждая группа из п резонансных приемоусилительныых устройств соединена через соответствующий n-входовый аналоговый ключ с фазовым различителем, подключенным ко входу регистратора, один выход которого подключен ко входу генераторного устройства, другой выход подключен через последовательно соединенные устройство определения номера ^ интерференционной полосы, вычислитель, устройство вычисления и программируемое устройство построения рельефа с устройством отображения, а третий выход подключен к импульсному генераторному устройству, и второй измерительный канал, выполненный в виде эхолота, включающем последовательно соединенные импульсное генераторное устройство, коммутатор «прием-передача» и приемоизлучающую МГА, причем коммутатор через группу из п параллельно включенных резонансных приемоусилительных устройств соединен с n-входовым аналоговым ключом, который через устройство вычисления и программируемое устройство построения рельефа подключен к устройству отображения.
7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в излучающие тракты интерферометра и эхолота введены усилители мощности, подключенные к генераторным устройствам.
8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что приемные тракты интерферометра и эхолота выполнены из звеньев, содержащих YI параллельно включенных резонансных приемоусилительных устройств, настроенных на
соответствующую спектральную составляющую f f ,3 f
и Yl- входовых аналоговых ключей, а управляющие входы данных блоков соединены с соответствующими выходами блока управления.
9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что каждый ЭАП в МГА снабжен пьезоэлементом, элементами экранировки, гидро-, электро- и шу моизо ляции .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2020/000288 WO2021256948A1 (ru) | 2020-06-15 | 2020-06-15 | Способ и устройство для формирования ультразвукового изображения донной поверхности |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2020/000288 WO2021256948A1 (ru) | 2020-06-15 | 2020-06-15 | Способ и устройство для формирования ультразвукового изображения донной поверхности |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2021256948A1 true WO2021256948A1 (ru) | 2021-12-23 |
Family
ID=79268196
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2020/000288 WO2021256948A1 (ru) | 2020-06-15 | 2020-06-15 | Способ и устройство для формирования ультразвукового изображения донной поверхности |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2021256948A1 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2272303C1 (ru) * | 2004-10-25 | 2006-03-20 | Николай Аркадьевич Нестеров | Способ определения глубин акватории и устройство для его осуществления |
| RU2429507C1 (ru) * | 2010-03-16 | 2011-09-20 | Сергей Петрович Алексеев | Способ восстановления рельефа морского дна при измерениях глубин посредством гидроакустических средств и устройство для его осуществления |
| RU2434246C1 (ru) * | 2010-03-16 | 2011-11-20 | Сергей Борисович Курсин | Способ съемки рельефа дна акватории и устройство для его осуществления |
| RU2466426C1 (ru) * | 2011-06-09 | 2012-11-10 | Сергей Петрович Алексеев | Способ восстановления рельефа морского дна при измерении глубин посредством гидроакустических средств |
| RU2541435C1 (ru) * | 2013-10-22 | 2015-02-10 | Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" | Способ определения осадки айсберга |
| RU2623830C1 (ru) * | 2016-07-27 | 2017-06-29 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Способ дистанционного определения рельефа и осадки подводной части айсберга |
-
2020
- 2020-06-15 WO PCT/RU2020/000288 patent/WO2021256948A1/ru active Application Filing
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2272303C1 (ru) * | 2004-10-25 | 2006-03-20 | Николай Аркадьевич Нестеров | Способ определения глубин акватории и устройство для его осуществления |
| RU2429507C1 (ru) * | 2010-03-16 | 2011-09-20 | Сергей Петрович Алексеев | Способ восстановления рельефа морского дна при измерениях глубин посредством гидроакустических средств и устройство для его осуществления |
| RU2434246C1 (ru) * | 2010-03-16 | 2011-11-20 | Сергей Борисович Курсин | Способ съемки рельефа дна акватории и устройство для его осуществления |
| RU2466426C1 (ru) * | 2011-06-09 | 2012-11-10 | Сергей Петрович Алексеев | Способ восстановления рельефа морского дна при измерении глубин посредством гидроакустических средств |
| RU2541435C1 (ru) * | 2013-10-22 | 2015-02-10 | Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" | Способ определения осадки айсберга |
| RU2623830C1 (ru) * | 2016-07-27 | 2017-06-29 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Способ дистанционного определения рельефа и осадки подводной части айсберга |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| A .R. STUBBS ET AL.: "Telesounding, a method of wide swathe depth measurement", INTERNATIONAL HYDROGRAPHIC REVIEW, vol. 51, no. 1, 1974, Monte Carlo, pages 23 - 59, XP055891026 * |
| BOLDINOV ROMAN O., SKNARYA ANATOLY V.: "Multi-base interferometric side-scan sonar for building high-precision bathymetry", RENSIT, vol. 10, no. 2, 2018, pages 213 - 216, XP055891059 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2775115C (en) | Method and device for measuring a contour of the ground | |
| GB2573605A (en) | A radio or sonic wave detector, transmitter, receiver and method thereof | |
| EP1975645B1 (en) | Detection device, detection program and detection method | |
| JPS63502138A (ja) | 海洋地震探査装置 | |
| RU2012153734A (ru) | Способ съемки рельефа дна акватории и устройство для съемки рельефа дна акватории | |
| RU2451300C1 (ru) | Гидроакустическая навигационная система | |
| CN111880185A (zh) | 一种水下目标勘测处理方法及系统 | |
| RU75062U1 (ru) | Доплеровская локационная система | |
| KR101331333B1 (ko) | 바닥 지형을 측량하는 방법 및 장치 | |
| RU83140U1 (ru) | Параметрический эхо-импульсный локатор | |
| Rajapan et al. | Importance of underwater acoustic imaging technologies for oceanographic applications–a brief review | |
| RU153808U1 (ru) | Параметрический эхоледомер | |
| RU75060U1 (ru) | Акустическая локационная система ближнего действия | |
| RU2623830C1 (ru) | Способ дистанционного определения рельефа и осадки подводной части айсберга | |
| WO2021256948A1 (ru) | Способ и устройство для формирования ультразвукового изображения донной поверхности | |
| RU2510608C1 (ru) | Способ измерения толщины льда с подводного носителя | |
| RU166051U1 (ru) | Корреляционный лаг | |
| RU2689998C1 (ru) | Многочастотный гидролокатор бокового обзора | |
| RU2510045C2 (ru) | Фазовый гидролокатор бокового обзора | |
| RU2158431C1 (ru) | Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система для мелкого моря | |
| RU2721307C1 (ru) | Акустический способ и устройство измерения параметров морского волнения | |
| RU2801053C1 (ru) | Акустический способ измерения параметров движения слоистой морской среды | |
| RU2795577C1 (ru) | Многочастотный корреляционный способ измерения скорости течений | |
| RU2795579C1 (ru) | Многочастотный доплеровский способ измерений скорости течений в водной среде | |
| Sewada et al. | Wideband signals for phase differencing sonar systems |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 20940504 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 20940504 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| 32PN | Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established |
Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 12/05/2023) |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 20940504 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |